旋转输流管大变形流致振动研究

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输流管因其结构简单轻巧、安装便利和工艺较成熟而常常应用到航空航天,核工业,海洋工程等工业领域中。管道由于在内流作用下引起的流固耦合和周围环境的影响,会引起管道失稳和振动,这对管道的安全性和可靠性有着极大地威胁。因此,研究输流管道中的流致振动,对于了解输流管道的动力学特性,进一步了解管道振动以及维护管道的稳定性具有实际的工程价值。同时,在传统管道建模的基础上,建立更加具有实用性的管道系统模型具有一定的研究价值。本文对输流管道的研究主要包括以下几个方面:(1)利用绝对节点坐标法和适用于含非材料体的扩展Lagrange方程建立旋转输流管的动力学方程。分别计算了无量纲频率在角速度和流速下的变化,不同管道和流体质量比下的临界流速。利用Newmark-β方法分析在不同流速时的动力学响应。结果表明:在管道旋转过程中,由于流体流速的影响,管道会产生一定的弯曲变形,并且随着角速度的增大,弯曲变形也会越大;并且随着流速的增大,管道的弯曲变形也会越大。(2)在得到旋转输流管的基础上,推导了含有集中质量的旋转悬臂输流管运动方程。分别计算了在角速度、流速、集中质量的位置和大小影响下的自然频率,计算了不同大小的集中质量在不同位置时的临界流速。分别计算了不同转速和流速时,集中质量不同的位置和大小对应的动力学响应。结果表明:在有集中质量时,角速度,流速、不同的位置和质量大小的质量块都会引起系统的频率转向。集中质量越靠近端部,系统的临界流速变小,系统的振动幅度越大,稳定后变形越小。(3)在得到的旋转输流管的基础上,在旋转速度为0时,建立了含有压电片输流管的运动方程,分析了不同压电片无量纲参数下的管道动力学响应。结果表明:在管道失稳后,压电片的长度和主动施加的电压对管道的振幅都有一定影响。本文通过对旋转输流管的研究,建立了其动力学方程并进行了振动频率和和响应分析,为控制管道振动提供了参考。
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